Tải bản đầy đủ

TÌM HIỂU NHỰA PVC

TRƯỜNG CAO ĐẴNG KỶ THUẬT LÝ TỰ TRỌNG TP.HCM
KHOA ĐỘNG LỰC
LỚP 13CĐ-Ô3

TÌM HIỂU NHỰA PVC

SVTH: 1- Lê Quang Phi
2- Phạm Tuấn Anh


NHẬN XÉT

…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………


MỤC LỤC
I.MỠ ĐẦU.......................................................................................................................................... 1
II.SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN.........................................................................................3
1.PVC trên thế giới. ................................................................................................................... 3
2.PVC ở Việt Nam

................................................................................................................... 4

III.TỔNG HỢP PVC

................................................................................................................... 5

1.Nguyên liệu

................................................................................................................... 5

1.1. Mnome vinylclorua (MVC), CH2 = CHCl ........................................................5
1.2 Tổng hợp MVC............................................................................................................ 5
2. tổng hợp polyvinylclorua (pvc).......................................................................................10
2.1 Phản ứng trùng hợp...........................................................................................10
2.2 Các bước của quá trình tổng hợp.................................................................10
3. Các phương pháp sản xuất PVC.......................................................................................12
3.1 Trùng hợp huyền phù.........................................................................................12
3.2 Quy trình sản xuất............................................................................................. 14
4.Tính chất và ứng dụng của PVC........................................................................................14
4.1 Tính chất của PVC .............................................................................................14
4.2 Ứng dụng của PVC...............................................................................................18
IV.Kết luận...................................................................................................................................... 21
Tài liệu tham khảo..................................................................................................................... 22


4



I.MỠ ĐẦU
Cùng với việc phát triển công nghiệp dầu mỏ và khí thiên nhiên, các sản phẩm
hóa chất hữu cơ cũng đạt được sự phát triển nhảy vọt nhờ sự kết hợp(danh từ
thông dụng hiện nay là sự tích hợp – intergration) nhanh chóng với công nghệ
lọc dầu. Sản phẩm hóa học từ dầu mỏ mở ra một ngành mới: ngành hóa dầu.
Trong đó, Nhựa tổng hợp là sản phẩm có sản lượng lớn và giá trị nhất.
Polyvinylclorua (PVC) là một loại nhưạ tổng hợp được bằng cách trùng hợp
vinylclorua monomer (MVC):
n CH2 = CHCl → (- CH2 – CHCl -) n (1)
Hiện nay PVC là loại nhựa nhiệt dẻo được sản xuất và tiêu thụ nhiều thứ 3 trên
thế giới (sau polyethylen – PE và Polypropylene - PP). Hình 1 cho tabức tranh
tổng thể về nhu cầu các loại chất dẻo của thế giới năm 2007.

Hình 1: Nhu cầu chất dẻo năm 2007 của thế giới

Trong thời đại hiện nay,chúng ta hầu như sống trong một môi trường bị bao
quanh bởi các loại nhựa tổng hợp. Điều đó làm cho nhiều người lầm
tưởng là chúng ta đã tiêu thụ quá nhiều dầu mỏ để sản xuất chất dẻo. Ngoài ra,
mỗi khi bàn luận vấn đề liên quan đến chất thải có nguồn gốc từ dầu mỏ,người
ta hay đổ lỗi cho các loại chất dẻo.
Thực tế không phải như vậy. Theo số liệu năm 1989 của Bộ Công Thương quốc
tế Nhật Bản, có tới 85% lượng dầu được dùng cho các phương tiện vận tải cho
5


các xí nghiệp, nhà máy nhiệt điện để sưởi ấm... Còn Naphta,nguyên liệu chính
cho công nghiệp hóa dầu, chỉ chiếm 14% tổng sản lượng dầu mỏ tiêu thụ (xem
Hình 2 và 3).

Hình 2: Tỉ

lệ các phân
đoạn sản phẩm của quá trình lọc dầu

Hình 3: Các
lĩnh vực ứng dụng của dầu mỏ
Hình 3: Các lĩnh vực ứng dụng của dầu mỏ

6


II.SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
1.PVC trên thế giới.
PVC có quá trình phát triển hơn 100 năm nay. Năm 1835 lần đầu tiên nhà hóa
học Liebig đã tổng hợp được vinylclorua. Vào năm 1872 Baumann lần đầu tiên
tổng hợp ra PVC. Đến năm 1933, nhiều dạng PVC đã được tổng hợp ở Mỹ và
Đức. Tuy nhiên, đến năm 1937 PVC mới được sản xuất trên quy mô công nghiệp
hoàn chỉnh tại Đức.Việc tiến sĩ hóa học người Đức Waldo Simon vô tình phát
hiện ra những đặc tính quý báu của PVC có thể thay thế cao su trong hàng loạt
ứng dụng và nhất là nhu cầu to lớn về nguyên vật liệu phục vụ cho cuộc chiến
tranh thế giới thứ hai cũng như sau đó là phục vụ cho việc khắc phục hậu quả
chiến tranh, phát triển đất nước đã thúc đẩy ngành công nghiệp sản xuất PVC
phát triển nhanh chóng ở nhiều nước như Mỹ, Đức,Anh và Nhật Bản.
Có thể lấy nước Anh để minh họa cho nhân xét trên. Nếu như năm 1947 lượng
PVC tiêu thụ ở Anh là khoảng 6.600 tấn, thì 10 năm sau đã là 66.000 tấn, tức là
cứ sau mỗi 3 năm lượng tiêu thụ PVC gần như tăng gấp đôi. Năm 1979 Anh tiêu
thụ hơn 440.000 tấn PVC, còn năm 1990 là 615.000 tấn [1].
Sự tăng trưởng và phát triển kinh tế là yếu tố quyết định đến nhu cầu tiêu thụ
PVC.
Bước sang thế kỷ 21, các điều kiện kinh tế trên toàn cầu đã được cải thiện và vì
thế nhu cầu PVC rất lớn, lớn hơn nhiều so với dự báo. Sản lượng PVC của thế
giới năm 2006 đạt tới hơn 32 triệu tấn và mức tăng trưởng trong giai đoạn
2001-2006 là hơn 5%/năm.Dự kiến đến năm 2012, công suất PVC của thế giới
sẽ đạt 50 triệu tấn/năm. Khu vực châu Á được dự báo dẫn đầu thế giới với mức
tăng trưởng nhu cầu bình quân hàng năm là khoảng 7%/năm trong giai đoạn
từ nay đến những năm 2010 và đến năm 2012 sẽ chiếm 50% tổng công suất của
thế giới, trong đó cao nhất là Trung Quốc, tiếp đến Malaysia, Việt Nam và tiểu
lục địa Ấn độ.
Bảng 2 là sản lượng PVC của thế giới trong các năm1991, 2001, 2006 và dự báo
cho 2011. Bảng 3 là công suất PVC của Châu Á – Thái Bình Dương giai đoạn
2000-2007, trong đó Trung Quốc với sự nhảy vọt đột biến đã vươn lên vị trí dẫn
đầu thế giới.

7


2.PVC ở Việt Nam
Ở Việt Nam, cho đến những năm sáu mươi của thế kỷ trước PVC cũng như các
chất dẻo khác vẫn còn xa lạ với hầu hết mọi người. Trong những năm 1959 –
1962, tại nhà máy hóa chất Việt Trì, Trung Quốc đã giúp ta xây dựng một dây
chuyền sản xuất PVC bằng công nghệ đi từ các bua canxi (đất đèn - CaC2) qua
axetylen (CH≡CH) với công suất thiết kế ban đầu là 350 tấn/năm, sau đó đến
năm 1975 nâng lên 500 tấn/năm. Sau 9 năm vận hành do công suất quá nhỏ,
công nghệ lạc hậu, năng suất thiết bị thấp (trung bình khoảng trên 30%), sản
phẩm có chất lượng không ổn định và nhất là giá thành quá cao (hơn nhập
khẩu nhiều lần) người ta đành phải dẹp bỏ.
Ngành công nghiệp nhựa ở Việt Nam lúc ấy được hiểu là công nghiệp gia công
chế biến nhựa. Tất cả các loại nhựa (trong đó có PVC) đều phải nhập khẩu.
Những sản phẩm nhựa thời kỳ này vừa đơn điệu về mẫu mã lại thiếu chủng loại
và số lượng. Chính vì vậy, trong những năm đầu của thập kỷ 80, hàng nhựa của
nước ngoài tràn ngập thị trường Việt Nam.Chỉ bắt đầu từ những năm 1990, tức
là từ khi đất nước bước vào thời kỳ đổi mới, ngành công nghiệp này mới thực
sự có sự bứt phá và hơn mười năm trở lại đây đã dành lại được thị trường
trong nước. Không những thế hàng nhựa Việt Nam đang từng bước vươn ra thị
trường quốc tế và khu vực. Năm 2006 kim ngạch xuất khẩu các sản phẩm nhựa
đã vượt 500 triệu USD và dự kiến sẽ đạt ngưỡng 1 tỉ USD vào năm 2010.Tuy
nhiên với việc hầu như tất cả nguyên liệu đầu vào đều phải nhập thì khả năng
cạnh tranh của sản phẩm nhựa Việt Nam là rất yếu, nhất là trong giai đoạn
toàn cầu hóa hiện nay.
Năm 1981 là năm mở đầu cho sự phát triển ngành công nghiệp dầu khí Việt
Nam với việc khai thác mỏ khí ở huyện Tiền Hải tỉnh Thái Bình và sự ra đời của
Xí nghiệp Liên doanh dầu khí Việt Xô. Theo số liệu của Tập đoàn Dầu khí quốc
gia Việt Nam, đến hết tháng 12 năm 2006, trên 235 triệu tấn dầu quy đổi đã
được khai thác trong đó dầu thô đạt trên 205 triệu tấn và cung cấp 30 tỉ m3 khí
cho sản xuất điện và các nhu cầu dân sinh khác. Hiện nay, tổng lượng dầu khí
khai thác hằng năm đạt trung bình khoảng 20 triệu tấn quy đổi. Dầu khí đã có
nhưng việc sử dụng tài nguyên quý báu này như hiện nay (bán 100% dầu thô và
làm nhiên liệu 100% lượng khí) thì chưa thực sự hiệu quả. Chính vì vậy, ngành
Dầu khí và Hóa chất đã lập các chiến lược phát triển lâu dài cho bước chế biến
và đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt.

8


III.TỔNG HỢP PVC
1.Nguyên liệu
1.1. Mnome vinylclorua (MVC), CH2 = CHCl
Mặc dù đã được biết đến từ hơn 100 năm nhưng Vinylclorua (VC) chỉ trở thành
một hóa chất quan trọng vào những năm 20 và 30 của thế kỷ trước, khi sản
phẩm trùng hợp của VC cho ta Polyvinylclorua (PVC) với nhiều ứng dụng khác
nhau. Dưới đây là một vài tính chất hóa lý của MVC:
• Ở điều kiện nhiệt độ và áp suất thường, MVC là một chất khí không màu dễ
cháy, dễ nổ.
• Nhiệt độ nóng chảy:

-153,7 0C

• Nhiệt độ sôi:

- 13,9 0C

• Tỉ trọng hơi:

- 2,15 (không khí = 1)

Để thuận tiện cho việc vận chuyển và bảo quản, MVC thường được nén
ở áp suất khoảng 3 kg/cm2 . Tại áp suất này MVC là một chất lỏng trong suốt,
không màu,có tỉ trọng 0,92 g/ml (ở 25 0C).
MVC tan rất ít trong nước,dễ hoà tan trong các dung môi hữu cơ.
1.2 Tổng hợp MVC
Tổng hợp MVC được trình bày qua các phản ứng sau:


Từ acetylen:

CH ≡CH + HCl → CH2 = CHCl (2)
(I)


Từ ethylen:

Khi đi từ ethylen (II), quá trình sẽ xảy ra theo 2 bước: Trước tiên là clo hóa
ethylen để tạo ra 1,2- ethylen-diclorua (EDC – III), tiếp theo là nhiệt phân EDC
thành MVC và axit clohydric (HCl):

9


CH2 = CH2 + Cl2 → CH2Cl – CH2Cl
(II)

(3)

(III)

CH2Cl – CH2Cl → CH2 = CHCl + HCl

(4)

Như vậy, chỉ một nửa phân tử clo tham gia vào phản ứng để tạo thành MVC,
nửa còn lại tạo thành HCl. Lượng HCl này đôi khi không có nơi tiêu thụ, đòi hỏi
phải xử lý rất tốn kém.
Có nhiều hướng khắc phục vấn đề này. Một trong những hướng đó là sử dụng
kết hợp cả acetylen và ethylene. Khi ấy, HCl để hydroclo hóa acetylen, tức là kết
hợp các phản ứng (2), (3) và (4):
CH ≡CH + CH2 = CH2 + Cl2 → 2 CH2 = CHCl

(5)

Sơ đồ khối của quá trình trên:

Hình 6: Quy trình tổng hợp MVC từ acetylen và ethylen

10


Ngày nay, do yếu tố kinh tế trong quá trình tổng hợp acetylen (đi từ than cốc, đá
vôi với bước trung gian là cácbua can xy - CaC2 - cần rất nhiều năng lượng) nên
hầu hết các nhà sản xuất đã sử dụng HCl dư này để oxy - clo hóa ethylen với sự
có mặt của xúc tác:
CH2 = CH2 + 2HCl + ½ O2 → CH2Cl – CH2Cl + H2O

(6)

Kết hợp cả 3 phản ứng (3), (4) (lấy hệ số 2) và (6) ta có:
2 CH2 = CH2 + Cl2 + ½ O2 → 2 CH2 = CHCl + H2O

(7)

Sơ đồ của qúa trình được thể hiện trong Hình 7:

Hình 7: Sơ đồ qúa trình sản xuất MVC kết hợp oxyclo hóa ethylene
a)

Quá trình sản xuất MVC từ acetylen và HCl được sử dụng rộng rãi ở một
số nước từ những năm 1950. Ngày nay với sự phát triển của công nghiệp
dầu mỏ, hầu hết các nước đã chuyển sang sử dụng ethylen làm nguyên
liệu chủ yếu để sản xuất MVC. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, với
việc khủng hoảng năng lượng thường xuyên xảy ra trên thế giới cộng với
sự gia tăng giá cả các phương tiện vận chuyển và để tận dụng những
thuận lợi tại chỗ (như trữ lượng than đá dồi dào tại vùng Tây Bắc và khu
vực Nội Mông có thể giúp phát triển đồng thời nhiệt điện – yếu tố chính
quyết định giá thành của acetylen) Trung Quốc đã quay trở lại phương
pháp này. Theo số liệu thống kê trong tổng sản lượng nhựa PVC của
Trung Quốc năm 2006 là 6,5 triệu tấn thì 4,2 triệu tấn được sản xuất từ
nguồn acetylen, chỉ có 2,3 triệu tấn là đi từ etylen. Theo số liệu mới nhất,
hiện nay ở Trung Quốc tỉ lệ giữa PVC sản xuất từ acetylen và từ etylen là
65:35 (Xem Hình 8).
11


Hình 8: Trung Quốc sản xuất PVC từ acetylen nhiều hơn từ etylen

Một trở ngại của phương pháp sản xuất MVC từ acetylen là vấn đề ô nhiễm môi
trường. Vì quá trình này sử dụng xúc tác là clorua thủy ngân (HgCl2) rất độc
hại, mà đến nay chưa có biện pháp xử lý nó triệt để và hiệu quả.
b) Trong quá trình sản xuất MVC từ etylen và clo người ta dùng xúc tác là
clorua sắt hai (FeCl2), nên ít tác động đến môi trường hơn so với phương pháp
trên. Phản ứng có thể thực hiện ở cả hai pha: lỏng và khí.
Trong pha lỏng người ta dùng chính sản phẩm của phản ứng, etylendicloetan
(EDC), làm dung môi để hoà tan etylen và clo. Phản ứng xảy ra ở 50-70oC và áp
suất 4-5 atm. Hiệu suất đạt 95-96% so với etylen.
Quá trình trong pha khí được tiến hành ở 90-130oC và áp suất 7-10 atm.Vì đây
là phản ứng tỏa nhiệt mạnh nên việc kiểm soát nhiệt độ phản ứng để tránh xảy
ra cháy nổ là rất quan trọng. Để tránh cháy nổ, người ta thiết kế thiết bị phản
ứng dạng ống chùm, cho khí đi qua khoảng cách giữa các ống chùm đã được
làm lạnh bên trong. Ngoài ra còn có thể dùng khí trơ để làm giảm khả năng gây
nổ hoặc dùng lượng etylen dư…
Do nhiều yếu tố kỹ thuật thuận lợi như nêu dưới đây nên phương pháp tổng
hợp trong pha lỏng thường được áp dụng rộng rãi hơn:




Thiết bị phản ứng đơn giản
Dễ điều chỉnh nhiệt độ phản ứng
Không cần dùng lượng etylen dư hoặc khí trơ
12




Nhiệt phản ứng được dùng ngay để đun nóng dung môi và làm bay hơi
sản phẩm tạo thành.

c) Oxyclo hóa etylen: Đây là phương pháp tối ưu và hiệu quả nhất để tổng hợp
MVC. Xúc tác sử dụng là clorua đồng trộn với KCl hoặc một số clorua kim loại
kiềm khác. Phản ứng được thực hiện ở 250-350oC theo sơ đồ sau [2]:
CuCl2 + CH2 = CH2 → CH2Cl – CH2Cl + Cu2Cl2
Cu2Cl2 + ½ O2 → CuO.CuCl2
CuO.CuCl2 + HCl → 2 CuCl2 + H2O

(8)
(9)
(10)

Khi sử dụng xúc tác là hỗn hợp của clorua đồng I và II, muối kim loại kiềm cho
vào có tác dụng làm giảm nhiệt độ nóng chảy và cả áp suất hơi của hỗn hợp
muối nóng chảy. Nền của xúc tác là alumina, silica hoặc một chất rắn xốp bền
với các điều kiện phản ứng.Phản ứng được thực hiện ở điều kiện áp suất 2-10
atm. Có 2 loại thiết bị phản ứng được sử dụng phổ biến nhất: Ống chùm và tầng
sôi.
Nhiệt phân 1,2 - ethlendiclorua (EDC): Để sản xuất MVC người ta tiến hành tách
một phân tử HCl từ EDC ở nhiệt độ cao (450-600o C), gọi là nhiệt phân - phản
ứng (4).Quá trình này có thể thực hiện khi dùng hoặc không dung xúc tác [2].
Qua thực tế người ta thấy mức độ chuyển hóa cũng như hiệu suất của MVC thu
được của hai qúa trình không khác nhau nhiều. Mặt khác, việc chế tạo thiết bị
nhiệt phân không dùng xúc tác dễ dàng và đơn giản hơn nhiều. Vì vậy, ngày nay
trên thế giới việc sử dụng quy trình nhiệt phân không dùng xúc tác để sản xuất
MVC được ứng dụng nhiều hơn. Hình 9 là sơ đồ quá trình nhiệt phân EDC để thu
được MVC:

Hình 9: Sơ
nhiệt phân
thành MVC

đồ
EDC

13


2. tổng hợp polyvinylclorua (pvc)
2.1 Phản ứng trùng hợp
Trong công nghiệp, PVC được tổng hợp bằng cách polyme hóa monomer
vinylclorua (MVC) với xúc tác (phản ứng (1)). Ở điều kiện phản ứng, xúc tác sẽ
phân hủy, tạo thành những gốc tự do có một electron không cặp đôi. Electron
này có hoạt tính cao. Nó tham gia vào phản ứng tách liên kết đôi của MVC để
tạo ra một gốc tự do mới hợp thành bởi gốc ban đầu và phân tử MVC. Đến lượt,
gốc tự do mới này lại phản ứng với một phân tử MVC khác. Quá trình lập lại
nhiều lần tạo ra một đại phân tử bao gồm nhiều phân tử monome VC được gọi
là quá trình trùng hợp (hay polyme hóa. Số lượng phân tử MVC có trong đại
phân tử PVC được gọi là độ trùng hợp. Độ trùng hợp phụ thuộc vào điều kiện
phản ứng trùng hợp.
Xúc tác quá trình polyme hóa là những chất có khả năng tạo gốc tự do như các
peroxit, peraxit, perester, hợp chất azo….
2.2 Các bước của quá trình tổng hợp
Quá trình trùng hợp gồm các bước sau:





Phản ứng khơi mào
Phản ứng lan truyền
Phản ứng chuyển mạch
Phản ứng ngắt mạch (kết thúc)

2.2.1. Phản ứng khơi mào:
Phản ứng khơi mào xảy ra khi chất xúc tác hay còn gọi là chất khơi mào (I*)
phân hủy thành gốc tự do (R.), gốc tự do này tác dụng với một phân tử MVC tạo
ra một gốc tự do mới.

14


2.2.2. Phản ứng lan truyền: Là phản ứng tiếp theo, trong đó nhiều đơn vị
monome được thêm vào gốc hoạt động (IV) để cho một gốc tự do mới có mạch
phân tử lớn hơn (V):

2. 2.3. Phản ứng chuyển mạch:
Ở bước chuyển mạch, một gốc tự do có mạch phân tử lớn (VI) tự kết thúc phản
ứng bằng cách tác dụng với một phân tử monome để cho một đại phân tử (VII)
và một gốc tự do mới (VIII). Gốc này sau đó khởi động một phản ứng lan truyền
khác:

15


2.2.4. Phản ứng kết thúc:
Phản ứng kết thúc khi các mạch ngừng phát triển cùng với việc tạo thành sản
phẩm cuối cùng. Quá trình này có thể xảy ra bằng:
• Phản ứng bất cân xứng:
R’CH2-C.HCl + R’CH2-C.HCl → R’CH = CHCl + R’CH2-CH2Cl

(21)hoặc

• Phản ứng kết hợp:
R’CH2-C..HCl + R’CH2-C.HCl → R’CH2-CHCl - CHCl – CH2R’

(22)

3. Các phương pháp sản xuất PVC
- Có 4 phương pháp trùng hợp được ứng dụng trong công nghiệp để sản xuất
PVC:
• Trùng hợp khối
• Trùng hợp trong dung dịch
• Trùng hợp nhũ tương
• Trùng hợp huyền phù
-Trong đó phổ biến và chiếm sản lượng lớn nhất là trùng hợp huyền phù, tiếp
đến là trùng hợp nhũ tương, trùng hợp trong dung dịch và cuối cùng là trùng
hợp khối.
3.1 Trùng hợp huyền phù
Về hình thức, trùng hợp huyền phù giống trùng hợp nhũ tương, trong đó các
monome được phân tán trong pha nước thành các hạt rất nhỏ. Tuy nhiên, ở đây
hệ phân tán được duy trì bằng việc kết hợp giữa khuấy trộn và hóa chất “ bảo
vệ”. Hóa chất bảo vệ có thể là một colloit (keo) tan trong nước hoặc một chất vô
cơ dạng bột mịn phân tán trong nước. Mặt khác, trong trùng hợp huyền phù
người ta sử dụng các chất khơi mào hoà tan được trong monome. Do đó, về
khía cạnh nào đấy, có thể coi như trong mỗi hạt polyme nhỏ li ti tạo thành diễn
ra quá trình trùng hợp khối.
• Đơn phối liệu

16


Những chất khơi mào phù hợp bao gồm: Các peroxit của benzoyl, lauroyl,
caproyl, dodecyl, p-cloo-benzoyl, axetyl-cyclohexane-sulphonyl và 303,5,5trimehylhexanoyl; các peroxy-dicarbonat của dietyl và di-izopropyl; các hợp
chất azo như 1,1’-azobis-izobutyronitril và dimethyl 1,1’-azobisizobutyrat. Hiện
nay thông dụng nhất là các peroxy-dicarbonat. Tuy nhiên như đã đề cập ở trên,
việc lựa chọn chất khơi mào thích hợp phụ thuộc vào nhiệt độ phản ứng trùng
hợp. Nồng độ của chất khơi mào thường ở mức 0,01- 0,1% tùy thuộc vào bản
chất hóa học của chất khơi mào, nhiệt độ phản ứng và mức độ chuyển hóa.
Chất tạo huyền phù thường sử dụng là những chất colloit (keo) tan trong nước
như polyvinyl alcol, gelatin, protein tự nhiên, các dẫn xuất xenlulo tan trong
nước như metyl và cacboxymetyl xenlulo, dextran, tinh bột, natri alginat... Một
số loại bột mịn vô cơ không tan trong nước cũng được sử dụng làm tác nhân
tạo huyền phù. Các chất đó là bột talc, cao lanh, betonit, bari sulphat và nhôm
hydroxit. Chất được sử dụng phổ biến nhất là polyvinyl alcol (PA).PA có nhiều
loại tùy thuộc vào mức độ thuỷ phân cũng như khối lượng phân tử. Lượng PA
thường chiếm từ 0,05-0,5% khối luợng monome.
Ngoài những chất trên, người ta còn sử dụng các loại muối đệm như natri
hydro phốt phát hay borax để tránh giảm pH của pha nước khi phản ứng trùng
hợp xảy ra.Đôi khi một số chất chống tạo bọt như Ctanol, polyetylen silicat cũng
được sử dụng để giảm thiểu sự hình thành bọt khi tách monomer dư ở cuối giai
đoạn phản ứng.

Sau đây là một ví dụ đơn phối liệu (tính theo phần khối lượng):
Nước

100

Colloit tạo huyền phù

0,1-0,5

Muối đệm

0 – 0,1

Chất khơi mào

0,05 – 0,3

Chất chống tạo bọt

0 – 0,002

MVC

50 – 70

17


3.2 Quy trình sản xuất

Hình 10: Sơ đồ quy trình tổng PVC huyền phù

1. Bồn phản ứng, 2. Bồn thu hồi MVC, 3,5. Bồn chứa vữa PVC, 4. Tháp chưng cất,
6. Bồn chứa MVC thu hồi, 7. Máy li tâm, 8. Máy sấy, 9. Xử lý khí thải, 10. Máy
sàng, 11.
Xilô chứa bột PVC, 12. Máy đóng bao, 13. Máy nén khí

Quá trình trùng hợp huyền phù theo mẻ được tiến hành trong thiết bị
phản ứng có áp lực (autoclave) 1. Nước được nạp vào trước, tiếp theo là tác
nhân tạo huyền phù, muối đệm dưới dạng dung dịch. Sau khi không khí được
đuổi ra khỏi thiết bị phản ứng bằng khí trơ, MVC và chất khơi mào được nạp
vào dưới áp lực.Chế độ khuấy được duy trì sao cho có thể phá vỡ pha lỏng của
MVC để tạo ra những hạt nhỏ li ti với kích cỡ mong muốn. Quá trình gia nhiệt
cũng như làm lạnh được điều chỉnh chính xác theo nhiệt độ yêu cầu để sản xuất
mỗi loại sản phẩm (từ 50 – 70oC).

18


Trùng hợp huyền phù về cơ bản là những chuỗi trùng hợp khối nhỏ trong pha
nước. Cơ chế cũng như động học phản ứng giống như trùng hợp khối.Ngoài ra,
các hạt nhỏ li ti được tạo ra ban đầu không nhất thiết phải tồn tại trong suốt cả
thời gian phản ứng. Phụ thuộc vào bản chất và nồng độ của chất tạo huyền phù
cũng như chế độ khuấy, những hạt nhỏ li ti có thể liên kết 32lại với nhau và sau
đó lại bị phân tán. Những hạt polyme có thể được tạo thành từ một giọt hoặc từ
một số giọt liên kết với nhau tại thời điểm nhất định của phản ứng.
Phản ứng được xem là kết thúc khi áp suất trong thiết bị giảm đến một trị số
cho trước. Hỗn hợp sau phản ứng, được gọi là vữa, không ổn định chứa các hạt
polyme trong pha nước và monome chưa phản ứng. Ngừng khuấy sẽ dẫn đến
việc lắng tụ các hạt polyme. Chính vì vậy, vữa PVC vẫn phải tiếp tục được khuấy
cho đến khi tháo hết sang bình khác cũng có máy khuấy 2. Lượng MVC còn lại
sau phản ứng chiếm 10-20% khối lượng ban đầu. Phần lớn lượng MVC sẽ được
tách ra bằng bay hơi và được thu hồi tại thiết bị ngưng tụ và bồn chứa 6. Do
tính độc hại cao của MVC nên lượng MVC dư cần phải được tiếp tục tách triệt
để. Vì thế, vữa PVC được chuyển sang bồn chứa 3, gia nhiệt và chưng cất trong
tháp 4 và lượng MVC còn lại cũng được thu vào bồn chứa 6. Vữa PVC sau khi
tách MVC dư được đưa đến bồn chứa 5, tách nước tại máy ly tâm 7, làm khô tại
máy sấy 8. Những chất bay hơi được dẫn qua thiết bị xử lý khí thải 9, phần còn
lại không độc hại được thải ra ngoài không khí. Bột PVC khô sau khi qua máy
sàng 10 để loại những hạt quá cỡ, được khí nén đẩy qua silo chứa 11 và được
đóng bao với trọng lượng mỗi bao là 25 kg tại máy đóng bao 12.
• Dây chuyền sản xuất Sơ đồ trên Hình 12 là ví dụ về một nhà máy sản xuất PVC
bằng phương pháp huyền phù. Sơ đồ này có thể sử dụng cho tổng hợp PVC nhũ
tương với việc chỉ cần thay công đoạn tách nước bằng máy ly tâm 7 và máy sấy
khô 8 bằng hệ thống sấy phun.
Đi cùng với dây chuyền công nghệ trên là các công trình phụ trợ: kho và bồn
chứa nguyên liệu, thiết bị phục vụ cho việc pha chế các chất phụ gia, xúc tác...
Thiết bị phản ứng hay còn gọi là autoclave, phải chịu được áp suất làm việc tới
15 kg/cm2 (1500 kN/m2 ). Autoclave và hầu hết các thiết bị khác trong dây
chuyền sản xuất được chế tạo bằng thép không gỉ để chống ăn mòn và nhất là
tránh cho polyme thu được bị lẫn tạp chất kim loại, ảnh hưởng xấu tới chất
lượng cũng như yêu cầu sử dụng tiếp theo của nhựa PVC. Bề mặt bên trong các
thiết bị, nhất là của autoclave, phải luôn được giữ sạch và bóng. Bởi 33 vì các
vết bẩn, vết lõm, vết xước đều là những nơi để các hạt polyme tạo thành bám
vào, rất khó tẩy rửa. Mặt khác những hạt bám vào sẽ lại là những mầm cho
19


những hạt khác bám theo nếu không được tẩy rửa kịp thời. Theo thời gian và
dưới tác động của nhiệt độ phản ứng, những hạt polyme này sẽ ảnh hưởng đến
chất lượng polyme cũng như đến qúa trình gia công bột để tạo sản phẩm. Để
tránh hiện tượng bám dính trên thường sau mỗi chu kỳ nhất định, người ta
dùng súng phun nước với áp lực cao để rửa thành bên trong hiết bị phản ứng.
Một số hóa chất cũng được sử dụng để chống hiện tượng bám dính trên.
Kích thước autoclave cũng rất khác nhau và ngày càng lớn để nhà máy luôn đủ
cung cấp nhựa cho nhu cầu ngày một tăng. Autoclave nhỏ nhất có dung tích
1m3 còn loại lớn với dung tích 100 – 150 m3 . Khi dung tích thiết bị tăng, tỉ lệ
giữa diện tích bề mặt và thể tích thiết bị sẽ giảm, đồng thời diện tích trao đổi
nhiệt được giữa thành thiết bị và lớp vỏ bọc bên ngoài cũng giảm. Mặt khác, thể
tích thiết bị tăng sẽ làm cho độ dày của thành thiết bị tăng theo để đảm bảo chịu
được áp suất của quá trình.
Để tránh việc giảm khả năng truyền nhiệt có thể tăng tỉ lệ giữa nước và
monome. Như vậy, nếu thiết bị phản ứng càng lớn thì phần thể tích dành cho
monome càng nhỏ. Hệ quả là sản lượng nhựa mỗi mẻ sẽ tăng chậm hơn so với
tốc độ tăng dung tích thiết bị. Một trở ngại nữa của sự tăng thể tích autoclave là
vấn đề khuấy, tức là kích thước cánh khuất, công suất motor khuấy cũng phải
đủ lớn để duy trì sự đồng đều môi trường phản ứng.
Tất cả những trở ngại trên buộc nhà thiết kế chế tạo phải lựa chọn autoclave
phù hợp với thực tế chứ không thể theo mong muốn. Cũng chính vì vậy, nhà sản
xuất phải căn cứ vào số lượng cũng như dung tích của mỗi thiết bị phản ứng để
lựa chọn công suất cho nhà máy. Hiện nay có rất nhiều nghiên cứu cải tiến công
nghệ sản xuất PVC nhằm tạo được sản phẩm có chất lượng ngày càng cao, đáp
ứng được ngày càng nhiều nhu cầu cũng như nâng công suất thiết bị, giảm giá
thành sản phẩm. Một ví dụ của hướng nghiên cứu này là cải tiến của Công ty
Vinnolit thuộc hãng ThyssenKrupp. Công ty này đã chế tạo autoclave với thành
bình phía trong có gắn (ốp) thêm một lớp các nửa ống tròn bằng thép không gỉ
(xem Hình 11)

20


Hình
11 :
Cải
tiến

thành thiết bị phản ứng trong công nghệ sản xuất PVC-S của hãng

Vinnoilt

4.Tính chất và ứng dụng của PVC
4.1 Tính chất của PVC
Có nhiều khả năng thay đổi kỹ thuật tổng hợp để tạo ra hàng loạt loại nhựa PVC
có các tính chất khác nhau. Cho đến nay, người ta đã thống kê được hơn 400
loại nhựa PVC lưu thông trên thị trường.
Những tính chất và đặc điểm cơ bản của PVC bao gồm:










Khối lượng phân tử trung bình phân tử và sự phân bổ nó trong polyme
Kích cỡ và dạng các hạt polyme
Tỉ trọng
Nhiệt chảy mềm
Độ xốp
Độ bền cơ học
Độ bền hóa chất
Độ bền nhiệt
Độ cách điện.

Tất cả những tính chất trên phụ thuộc vào điều kiện kỹ thuật của quá trình tổng
hợp.
Một trong số những tính chất quan trọng liên quan đến quá trình gia công cũng
như sử dụng sau này là tính bền nhiệt của PVC.Bột nhựa thu được từ quá trình
trùng hợp được gọi là PVC nguyên thuỷ. Từ 65o C trở lên nhựa PVC bắt đầu
chảy mềm và từ 100o C, PVC bắt đầu phân huỷ nhiệt. Quá trình phân hủy nhiệt
diễn ra với sự tách axít clohydric (HCl) từ nhựa dẫn đến sự chuyển màu (từ
trắng qua vàng nhạt cho đến màu đen) và sự thay đổi các tính chất hóa, lý và
điện. Cuối cùng PVC sẽ bị biến chất, ta gọi nhựa bị lão hóa. Không chỉ bị lão hóa
do nhiệt mà PVC còn bị lão hóa dưới tác dụng của ánh sáng (tia tử ngọai của
ánh sáng mặt trời).
21


Chính vì vậy, trong thực tế PVC không bao giờ được sử dụng một mình mà phải
được phối hợp với các phụ gia khác nhau để cho sản phẩm cuối. Qua quá trình
đó có thể thay đổi có chọn lọc các đặc tính hóa lý của PVC nguyên thuỷ, tạo ra
những sản phẩm phù hợp yêu cầu sử dụng. Các phụ gia đó bao gồm: chất hóa
dẻo, chất chống lão hóa, chất ổn định nhiệt,chất ổn định ánh sáng, chất độn,
chất màu, chất bôi trơn...
Các hỗn hợp (bao gồm PVC và các phụ gia) được gia công, bằng các phương
pháp: đúc áp lực (ép phun, ép đùn, thổi), cán tráng, dát, tách lớp, định hình chân
không...
4.2 Ứng dụng của PVC
4.2.1 Trong xây dựng
Lĩnh vực xây dựng là nơi mà PVC được sử dụng nhiều và rộng rãi nhất.
Trong đó, các loại ống dẫn và phụ kiện chiếm đến hơn một phần 3 tổng sản
lượng PVC trên toàn thế giới. Năm 2007, con số này là 39% trong tổng số 33,5
triệu tấn nhu cầu PVC trên thế giới.
Ống PVC được sử dụng trong những điều kiện kỹ thuật cũng như môi
trường khắt khe đã chứng tỏ là một loại vật liệu có độ bền và độ tin cậy cao.
Chúng được dùng rộng rãi để cấp thoát nước sinh hoạt, thuỷ lợi, lưu chuyển
hóa chất, bảo vệ cáp điện và các loại cáp trong ngành bưu chính viễn thông…
Ống PVC không bị gỉ, bị ôxy hóa hay ăn mòn. Do đó chi phí bảo trì thấp,
nước trong ống không bị nhiễm bẩn. Ống PVC cũng không ảnh hưởng đến mùi vị
của nước, không có phản ứng hóa học ngay cả với những chất lỏng có hoạt tính
mạnh.
Ống PVC dễ uốn, chịu được sự va chạm và các chấn động. Hội đồng nghiên
cứu quốc gia Canađa đã ước tính “độ gãy” của ống PVC trên 100km bằng 0,5
điểm, trong khi của ống gang là 32,6 và của ống thép là 7,9. Khi được lắp đặt,
tuổi thọ của ống có thể lên tới hơn 100 năm.
Ống PVC cũng là sự lựa chọn tối ưu trên phương diện giá thành. Ống PVC
nhẹ nên chi phí vận chuyển thấp và công lắp đặt thấp (chỉ bằng 60-70% so với
các loại ống khác) Ngoài ống dẫn, PVC được sử dụng cho xây dựng nhà cửa và
trang trí nội ngoại thất. Vật liệu PVC dùng trong lắp đặt và trang trí nhà cửa
hiện nay chưa phổ biến ở Việt Nam (chỉ chiếm khoảng 24% tổng nhu cầu).
Nhưng trên thế giới, ở nhiều nước tỉ lệ này rất cao. Ví dụ như ở Mỹ 60%. Điều

22


đó là do độ bền lâu, khả năng lắp đặt dễ dàng, dễ bảo trì và tính hấp dẫn người
tiêu thụcủa các sản phẩm PVC.
Ngoài những ứng dụng trên, PVC còn được dùng để làm mương, máng
thủy lợi, màng mỏng phục vụ nông nghiệp, hàng rào, mái che… Một ví dụ: Toàn
bộ phần mái che phía ngoài (khoảng 60.000 m2 ) của sân vận động hiện đại
nhất nước Pháp (sân Stade de France), với sức chứa lên tới 80.000 người, được
phủ bằng màng PVC.
4.2.2 PVC trong kỷ thuật điện tử
Đây chính là lĩnh vực mà nhờ nó PVC đã phát triển một cách nhanh chóng và
đột phá. Như trên đã nói, cách đây hơn 50 năm, người ta đã phát hiện ra PVC có
những tính chất không những giống mà còn vượt trội cao su trong việc bọc dây
cáp điện. Ngày nay, PVC chiếm gần 50% thị phần ở lĩnh vực sảnxuất đồ điện và
điện tử. Một số lĩnh vực sản xuất phổ biến cần dùng PVC:
• Máy điều hòa không khí

• Đĩa mềm cho máy vi tính

• Dụng cụ gia đình

• Bàn phím

• Máy tính

• Dụng cụ đồ điện

• Cáp quang

• Máy giặt

• Đĩa mềm cho máy vi tính

• Máy lạnh…

4.2.3 PVC trong sản xuất ô tô,xe máy
PVC đóng một vài trò to lớn trong chế tạo ôtô, môtô hiện đại. Nó được sử dụng
thay thế kim loại và vật liệu khác để chế tạo các bộ phận sườn xe, tấm chắn gió,
tấm lót sàn, tấm chắn bùn và nhiều chi tiết khác. Theo tài liệu của Hội đồng các
nhà sản xuất PVC châu Âu (ECVM), hiện nay một chiếc ôtô mới sản xuất cần
16kg PVC. Như dùng PVC thay thế một phần kim loại trong chế tạo ôtô mà hàng
năm Tây Âu tiết kiệm được khoảng 800 triệu Euro, còn cả thế giới tiết kiệm
được tới 2,5 tỷ Euro. Việc sử dụng PVC sẽ làm cho:





Tuổi thọ của xe dài hơn: Do độ bền của PVC, tuổi thọ của xe tăng từ 11,5
năm trong những năm 1970 lên 17 năm như hiện nay.
Khách hàng có nhiều lựa chọn hơn: Do PVC rẻ, nên tùy thuộc vào yêu cầu
của thị trường, nhà sản xuất có nhiều phương án sử dụng nguyên vật liệu
để tạo ra nhiều mẫu mã hấp dẫn khách hàng với giá cả hợp lý;
Các chi tiết từ PVC có tính mềm dẻo nên người sử dụng xe sẽ an toàn Với
những bộ phận và chi tiết bằng nhựa, xe sẽ nhẹ hơn và nhờ đó sẽ
23




tiêu thụ nhiên liệu ít hơn, góp phần vào việc tiết kiệm và bảo tồn nguồn
tài nguyên năng lượng trên thế giới đang ngày càng cạn kiệt trên thế
giới.hơn trong trường hợp xảy ra tai nạn giao thong.

4.2.4 PVC trong việc chăm sóc và bảo vệ sức khoẻ con người
Những thành tựu đạt được trong công tác chữa trị và dự phòng của ngành y tế
nhờ vào những sản phẩm PVC hơn 50 năm qua rất đáng ghi nhận: Từ găng tay
y tế đến túi đựng máu, từ ống truyền dịch, truyền máu và chạy thận nhân
tạo,bơm kim tiêm dùng một lần, van tim nhân tạo đến rất nhiều dụng cụ y tế
khác nhau. Chúng được sử dụng rộng rãi và có độ tin cậy cao nhờ những tính
ưu việt của PVC như:









Không màu và trong suốt
Mềm dẻo, bền và ổn định
Dễ thanh, tiệt trùng
Chịu được hóa chất. Không có phản ứng hóa học khi tiếp xúc với
nhiều môi trường khác nhau
Dễ chế tạo
Có thể tái sinh
Giá rẻ

4.2.5 Những ứng dụng khác







Bao bì cho thực phẩm và hàng hóa tiêu dùng
Đồ chơi trẻ em
Dày dép
Áo mưa
Túi xách
Các mặt hàng tiêu dùng khác.

Những sản phẩm này được dùng phổ biến vì ngoài những tính ưu việt nêu trên,
chúng còn dể cho nhiều màu sắc hấp dẫn, dễ lắp đặt và lau chùi khi làm vệ sinh.

24


IV.Kết luận
HƯỚNG TỚI TƯƠNG LAI
Đã gần 80 năm trôi qua kể từ khi nền công nghiệp sản xuất PVC ra đời. Hãy nhìn
quanh ta: Điện và nước được dẫn đến hầu khắp gia đình; những túi máu cứu
bệnh nhân toát khỏi tử thần, những cuộc đàm thoại giúp ta nhận được thông
tin nóng hổi xảy ra ở cách xa hàng ngàn cây số… Tất cả những điều đó có thể sẽ
không trở thành hiện thực hoặc chí ít cũng chưa đạt đến trình độ như hiện nay
nếu như thiếu vắng PVC. Sản phẩm từ PVC vẫn còn cần cho cuộc sống hiện đại.
Bởi vì chúng ngày càng trở nên: An toàn hơn, nhỏ gọn hơn, nhanh chóng hơn,
trong suốt hơn, sạch hơn, mềm mại hơn, bền hơn, rẻ hơn và tóm lại là tố hơn.

25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×